تبدو ظاهرة “ستيف” وكأنها شفق قطبي، ولكنها ليست كذلك • Earth.com

لقد أسر الشفق الساحر، بستائره الخضراء والحمراء والأرجوانية النابضة بالحياة، مراقبي سماء الليل لفترة طويلة. ومع ذلك، فإن الظهور الأخير لظواهر غريبة تشبه الشفق القطبي – الخطوط البنفسجي والأبيض المعروفة باسم “ستيف” وما يصاحبها في كثير من الأحيان متوهجة الخضراء “السياج الاعتصامي” – أثار اهتمام العلماء ومراقبي السماء على حد سواء.

تم تحديدها لأول مرة في عام 2018 باعتبارها مختلفة عن الشفق الأكثر شهرة، ستيف، الذي سمي على اسم شخصية في فيلم للأطفال عام 2006، وكان يُعتقد في البداية أن ظاهرة سياج الاعتصام هي نتاج لنفس العمليات الفيزيائية مثل الشفق. ومع ذلك، ترك هذا الافتراض العديد من الأسئلة دون إجابة حول أصولها الفريدة انبعاثات متوهجة.

آلية جديدة تولد توهجات السماء

أدخل كلير جاسكي، وهي طالبة دراسات عليا واعدة في الفيزياء في جامعة جامعة كاليفورنيا، بيركلي. وقد اقترح جاسكي تفسيرًا مثيرًا للاهتمام لهذه الظواهر، مقترحًا آلية فيزيائية مختلفة تمامًا عن تلك المسؤولة عن الشفق التقليدي.

وقال جاسكي: “هذا من شأنه أن يقلب نموذجنا لما يخلق الضوء والطاقة في الشفق القطبي في بعض الحالات”. “إنه أمر رائع حقًا، وهو أحد أكبر الألغاز في فيزياء الفضاء في الوقت الحالي.”

بالتعاون مع مختبر علوم الفضاء (طبقة المقابس الآمنة) في بيركلي، يدعو جاسك إلى أ ناسا مهمة إطلاق صاروخ على الشفق القطبي للتحقق من صحة فرضيتها. يتزامن هذا البحث مع دخول الشمس في مرحلة أكثر نشاطًا من دورتها التي تبلغ 11 عامًا، مما يجعل هذه لحظة مناسبة لدراسة الأحداث النادرة مثل ستيف وسياج الاعتصام.

تمييز “ستيف” عن الشفق الشائع

تركز أبحاث جاسكي على السلوك الغريب للمجالات الكهربائية في الغلاف الجوي العلوي. وتقترح أن هذه المجالات، الموازية للمجال المغناطيسي للأرض، قد تنتج طيف الألوان الذي لوحظ في ظاهرة سياج الاعتصام.

تتحدى هذه الفرضية النماذج الحالية للضوء الشفقي وتوليد الطاقة ولها آثار مهمة على فهمنا للتفاعل بين الغلاف المغناطيسي للأرض والأيونوسفير.

ينجم الشفق القطبي الشائع عن الرياح الشمسية التي تنشط الجسيمات في الغلاف المغناطيسي للأرض، مما يتسبب في قيام جزيئات الأكسجين والنيتروجين في الغلاف الجوي العلوي بإصدار ترددات محددة من الضوء.

ومع ذلك، يُظهر ستيف نطاقًا واسعًا من الترددات تتمحور حول اللون الأرجواني أو البنفسجي، دون الضوء الأزرق النموذجي لتفاعلات الجسيمات الأكثر نشاطًا في الشفق القطبي. ومن المثير للاهتمام أن ستيف والسياج الاعتصامي يحدثان عند خطوط عرض أقل من الشفق القطبي النموذجي، وربما حتى بالقرب من خط الاستواء.

المجالات الكهربائية الموازية في اللعب

يفترض بحث جاسكي أن الانبعاثات الصادرة عن “سياج الاعتصام” تتولد عن مجالات كهربائية على ارتفاعات منخفضة موازية للمجال المغناطيسي للأرض. وباستخدام نموذج فيزيائي مقبول على نطاق واسع للغلاف الأيوني، أثبتت أن المجال الكهربائي الموازي الذي يبلغ حوالي 100 مللي فولت لكل متر على ارتفاع حوالي 110 كم يمكن أن يسرع الإلكترونات.

وهذا التسارع يكفي لتنشيط ذرات الأكسجين والنيتروجين، مما يؤدي إلى انبعاث الغاز طيف الضوء لوحظ في “سياج الاعتصام” وشفق “ستيف”. وحددت أيضًا ظروفًا فريدة في هذه المنطقة، مثل انخفاض كثافة البلازما وزيادة وجود ذرات الأكسجين والنيتروجين المحايدة. يمكن أن تكون هذه بمثابة عازل، مما يمنع المجال الكهربائي من حدوث ماس كهربائي.

“إذا نظرت إلى نطاق سياج الاعتصام، فهو أكثر خضرة بكثير مما تتوقع. وقال جاسكي: “لا يوجد أي لون أزرق يأتي من تأين النيتروجين”. “ما يخبرنا به هذا هو أنه لا يوجد سوى نطاق طاقة محدد من الإلكترونات التي يمكنها إنشاء تلك الألوان، ولا يمكن أن تأتي من الفضاء إلى الغلاف الجوي، لأن تلك الجسيمات لديها الكثير من الطاقة.”

بدلًا من ذلك، قالت: “يتم إنشاء الضوء المنبعث من سياج الاعتصام بواسطة جسيمات يجب تنشيطها هناك في الفضاء بواسطة مجال كهربائي موازٍ، وهي آلية مختلفة تمامًا عن أي من الشفق القطبي الذي درسناه أو عرفناه”. قبل.”

البحث عن ستيف بالصواريخ

بريان هاردينج، وهو باحث فيزياء مساعد في SSL ومؤلف مشارك لورقة جاسكي، يسلط الضوء على أهمية هذا الاكتشاف.

“الشيء المثير للاهتمام حقًا في ورقة كلير هو أننا عرفنا منذ عامين أن طيف ستيف يخبرنا بوجود بعض الفيزياء الغريبة جدًا. قال بريان: “لم نكن نعرف ما هو”. “أظهر بحث كلير أن المجالات الكهربائية المتوازية قادرة على تفسير هذا الطيف الغريب.”

ويقترح الفريق إطلاق صواريخ من ألاسكا لقياس المجالات الكهربائية والمغناطيسية ضمن هذه الظواهر، بهدف التحقق من صحة فرضياتهم. يتماشى هذا المسعى مع وصول ناسا منخفض التكلفة إلى الفضاء (LCAS) ومن المتوقع أن يعمق فهمنا لكيمياء وفيزياء الغلاف الجوي العلوي. في البداية، سيكون الهدف هو ما يُعرف بالشفق القطبي المعزز، وهو شفق عادي يحتوي على انبعاثات تشبه “ستيف” و”السياج الاعتصامي”.

“إن الشفق المعزز هو في الأساس هذه الطبقة الساطعة المضمنة في الشفق العادي. الألوان مشابهة لسياج الاعتصام حيث لا يوجد بها الكثير من اللون الأزرق، ويوجد المزيد من اللون الأخضر من الأكسجين والأحمر من النيتروجين. وقال جاسكي: “الفرضية هي أن هذه تنشأ أيضًا عن طريق المجالات الكهربائية المتوازية، لكنها أكثر شيوعًا بكثير من سياج الاعتصام”.

وقالت إن الخطة لا تقتصر على “تحليق صاروخ عبر تلك الطبقة المحسنة لقياس تلك المجالات الكهربائية المتوازية فعليًا للمرة الأولى”، ولكن أيضًا إرسال صاروخ ثانٍ لقياس الجزيئات على ارتفاعات أعلى، “للتمييز بين الظروف”. من تلك التي تسبب الشفق.” وفي نهاية المطاف، تأمل في الحصول على صاروخ يطير مباشرة عبر “ستيف” و”سياج الاعتصام”.

الفضول يقود هذا البحث عن الشفق القطبي “ستيف”.

تعزو جاسكي نجاحها إلى التعاون مع الخبراء الذين يدرسون طبقات الغلاف الجوي المختلفة، بما في ذلك طبقة الميزوسفير والستراتوسفير. وقد أتاح هذا النهج متعدد التخصصات إحراز تقدم كبير في فهم الفرق بين الشفق القطبي وستيف.

قدم هاردينغ وجاسكي وزملاؤهما اقتراحًا إلى وكالة ناسا لإطلاق حملة صاروخية في خريف هذا العام، متوقعين الرد بشأن اختيارها في النصف الأول من عام 2024. ويرى جاسك وهاردينغ أن التجربة خطوة حاسمة نحو فهم كيمياء وفيزياء الكوكب. الغلاف الجوي العلوي، والأيونوسفير، والغلاف المغناطيسي للأرض.

“من العدل أن نقول أنه سيكون هناك الكثير من الدراسات في المستقبل حول كيفية وصول تلك المجالات الكهربائية إلى هناك، وما هي الموجات المرتبطة بها أو غير المرتبطة بها، وماذا يعني ذلك بالنسبة لنقل الطاقة الأكبر بين الغلاف الجوي للأرض والفضاء “، قال هاردينج. “نحن حقا لا نعرف. إن ورقة كلير هي الخطوة الأولى في سلسلة هذا الفهم.

وينتظر الفريق بفارغ الصبر قرار ناسا بشأن حملتهم الصاروخية المقترحة، والمتوقعة في النصف الأول من عام 2024.

باختصار، يمثل البحث الذي قادته كلير جاسك تقدمًا محوريًا في فيزياء الفضاء. سلط جاسكي الضوء على الطبيعة المراوغة لـ “ستيف” و”سياج الاعتصام” باعتباره شيئًا آخر غير الشفق القطبي. ومع تقدم الدورة الشمسية، لا تعد هذه النتائج بكشف ألغاز هذه الظواهر فحسب، بل أيضًا بتعزيز فهمنا الأوسع للتفاعل الديناميكي بين الأرض والفضاء.

المزيد عن الشفق القطبي

الشفق القطبي، المعروف باسم الأضواء الشمالية والجنوبية، يقف كعرض ضوئي طبيعي ساحر في سماء الأرض القطبية. وتحدث بسبب التفاعل الرائع بين الغلاف الجوي للأرض والرياح الشمسية.

كما نوقش بالتفصيل أعلاه، يعتقد العلماء أن ظاهرة “ستيف” و”السياج الاعتصامي” نتجتا عن نفس العمليات الفيزيائية التي يحدثها الشفق القطبي. ومع ذلك، ترك هذا الاعتقاد العديد من الأسئلة دون إجابة حول أصول انبعاثاتها المتوهجة الفريدة.

الأصل : اتصال الشمس

الشمس، وهي مصدر للطاقة والجسيمات، تبعث باستمرار رياحًا شمسية، وهي تيارات من الجسيمات المشحونة. تواجه هذه الجسيمات، أثناء رحلتها نحو الأرض، المجال المغناطيسي للأرض، والذي يلعب دورًا حاسمًا في تكوين الشفق القطبي.

عند وصولها إلى الأرض، تتأثر الرياح الشمسية بمجالها المغناطيسي. ويعمل المجال المغناطيسي للأرض، الممتد إلى الفضاء، بمثابة درع ويوجه هذه الجزيئات نحو القطبين. هنا، تقوم خطوط المجال المغناطيسي بتوجيه هذه الجسيمات المشحونة إلى الغلاف الجوي العلوي للأرض.

يعرض علم “ستيف” والشفق القطبي

تحدث الظاهرة الأساسية للشفق القطبي عندما تصطدم هذه الجسيمات المشحونة، وخاصة الإلكترونات، بغازات مثل الأكسجين والنيتروجين في الغلاف الجوي للأرض. ينقل هذا الاصطدام الطاقة إلى جزيئات الغاز، مما يثيرها ويتسبب في انبعاث الضوء، وهو جوهر العروض الشفقية.

الألوان المحددة للشفق القطبي وستيف، والتي تتراوح من الأخضر والأحمر إلى الأزرق والبنفسجي، تعتمد على نوع الغاز المعني وارتفاع هذه التفاعلات.

يؤثر النشاط الشمسي بشكل كبير على شدة وتواتر الشفق القطبي. أثناء الذروة الشمسية، تؤدي زيادة التوهجات الشمسية وانبعاث الكتل الإكليلية إلى حدوث شفق أكثر كثافة وتكرارًا. وعلى العكس من ذلك، يؤدي الحد الأدنى من الطاقة الشمسية إلى انخفاض النشاط الشفقي.

الأهمية الثقافية والتاريخية

بالإضافة إلى روعتها البصرية، تقدم الشفق رؤى قيمة حول ديناميكيات الغلاف المغناطيسي للأرض وتفاعلها مع الإشعاع الشمسي. تساهم دراسة الشفق القطبي في فهمنا لكيفية حماية المجال المغناطيسي للأرض من الانبعاثات الشمسية الضارة.

احتل الشفق القطبي مكانة خاصة في مختلف الثقافات، حيث ألهم الأساطير والفولكلور. من كونها دروع الفالكيري في الأساطير الإسكندنافية إلى تمثيل أرواح الأجداد في معتقدات السكان الأصليين، كانت الشفق القطبي مصدرًا للعجب والإلهام عبر التاريخ.

باختصار، الشفق القطبي، بجماله المذهل، هو أكثر من مجرد مشهد بصري. إنها تفاعل ديناميكي بين الرياح الشمسية والمجال المغناطيسي لكوكبنا، مما يقدم نظرة ثاقبة حول الدرع الواقي للأرض ويستمر في جذب الناس عبر الثقافات والأجيال.

يتم نشر الدراسة الكاملة في المجلة رسائل البحوث الجيوفيزيائية.

—–

مثل ما قرأت؟ اشترك في النشرة الإخبارية لدينا للحصول على مقالات جذابة ومحتوى حصري وآخر التحديثات.

—–

تفضل بزيارتنا على EarthSnap، وهو تطبيق مجاني يقدمه لك Eric Ralls وEarth.com.